A Experiência com Geração Fotovoltaica no Estado da Bahia

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1 1 A Experiência com Fotovoltaica no Estado da Bahia Fernando Antonio de S. Fontes e Paulo Roberto F. de M. Bastos fernando.as.fontes@gmail.com, pbastos@ufba.br Universidade Federal da Bahia (UFBA) Departamento de Engenharia Elétrica (DEE) Resumo-- O objetivo deste trabalho é analisar alguns dos sistemas fotovoltaicos instalados no Estado da Bahia quanto aos aspectos operacionais, quanto à manutenção e aos custos, visando obter conclusões relativas a tais sistemas de modo que possam nortear pesquisas e trabalhos futuros envolvendo as fontes sustentáveis para produção de energia elétrica. Palavras Chave-- Energia Solar, Sistemas Fotovoltaicos, de Energia Elétrica, Sistemas Isolados, Sistemas Interconectados. U I. INTRODUÇÃO ma das principais motivações para o desenvolvimento deste trabalho é e foi a crescente discussão acerca da necessidade de uma maior produção de energia elétrica para o desenvolvimento global e das tecnologias baseadas em fontes renováveis de energia. Toda essa discussão é incentivada principalmente pela preocupação com os impactos ambientais e com a perspectiva futura de extinção e encarecimento das fontes não renováveis tradicionais como o carvão e o petróleo. Neste artigo inicialmente são descritas as características dos sistemas fotovoltaicos (PV), as configurações utilizadas e é feita uma síntese da expansão do uso destes sistemas nos últimos anos no Brasil e no mundo. Segue-se com uma descrição e análise dos principais sistemas PV instalados no Estado da Bahia; tais sistemas são na grande maioria s, e fazem parte do Programa Luz para Todos (LPT). Os dados utilizados nas análises foram disponibilizados pelos responsáveis ou pelos proprietários dos sistemas, tendo sido elaborado um questionário com a finalidade de agregar de modo uniforme as informações técnicas, financeiras e de satisfação do cliente relacionadas aos sistemas fotovoltaicos e permitir a estimação de aspectos relevantes. Também foram realizadas algumas visitas aos locais onde os mesmos estão instalados. Por fim há um item com as principais conclusões obtidas. II. CARACTERÍSTICAS, CONFIGURAÇÕES E EXPANSÃO DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS A ideia da energia fotovoltaica se deu a partir de 1839, quando o físico francês Edmund Becquerel descobriu o efeito fotoelétrico, entretanto quem elaborou os princípios de tal efeito foi o físico alemão Heinrich Hertz anos depois. O efeito se baseia em quatro princípios básicos, que são a incidência da radiação solar, a intensidade da corrente produzida devido a esta radiação recebida, a velocidade de emissão que é função da frequência da radiação luminosa, e finalmente na frequência mínima da radiação luminosa para produção da corrente ou das emissões, sendo característica do material. A tecnologia fotovoltaica deve seu descobrimento e aplicação ao desenvolvimento da Física do Estado Sólido, principalmente no século passado. A célula fotovoltaica é composta por materiais semicondutores que, por meio da junção p-n, produz corrente elétrica a partir da incidência da radiação solar, ou seja, a partir do efeito fotovoltaico. Há diversos tipos de materiais que podem ser utilizados na fabricação das células fotovoltaicas, dentre eles o silício, o arsênio de gálio, o cobre-índio-selênio e o telureto de cádmio. Sendo o mais utilizado na produção das células o silício. As tecnologias envolvem os compostos empregados e a estrutura mono ou multi cristalina. Assim, as células fotovoltaicas mais usadas são as de silício monocristalino, silício multicristalino, silício amorfo, dissilureto de cobre e cádmio (CIS) e de telureto de cádmio (CdTe) [1-2]. A eficiência dos sistemas comercialmente disponíveis situase em geral entre 5% e 18% e depende essencialmente do material e da recombinação dos elétrons e buracos na junção pn. Em laboratório tem-se conseguido eficiências maiores. Como exemplo para as células PV de silício monocristalino se chega a 17,5% de eficiência para sistemas comercialmente disponíveis, a 25% em laboratório [1, p.311], sendo o limite teórico deste tipo de células em torno de 30% a 33% [3, p.576]. Os sistemas fotovoltaicos podem ser instalados interligados a rede elétrica (caso inclusive daqueles denominados de híbridos) ou s. O modo como as cargas são atendidas, se em corrente alternada (AC) ou em corrente contínua (CC), constitui outro ponto importante nas configurações e arranjos dos sistemas fotovoltaicos. O sistema conectado a rede está mostrado na Figura 1 [2]. Células Fotovoltaicas Inversor CC-AC Rede Elétrica AC Fig. 1. Sistema fotovoltaico interligado à rede elétrica [adaptado de 2]. A figura 2 ilustra um sistema com armazenamento de energia e atendimento às cargas em corrente contínua. Os sistemas fotovoltaicos são normalmente compostos pelos seguintes equipamentos: painel fotovoltaico (conjunto das

2 2 células), acumulador ou bateria elétrica (caso se necessite armazenamento), controlador de carga (função de controlar o carregamento e a descarga das baterias), inversores (caso se conecte à rede) e outros de suporte. Células Fotovoltaicas Controlador de carga Armazenamento (baterias) Fig. 2. Sistema fotovoltaico com cargas em CC [adaptado de 2]. Cargas em CC Quanto aos custos e à difusão, os sistemas fotovoltaicos evoluíram muito após a primeira crise mundial do petróleo no início dos anos 1970, reduzindo, por exemplo, o investimento de 7 mil US$/kW daqueles anos para algo em torno de 3 mil, em meados da década de 1990, até pouco mais de US$/kW atuais [3, p.581]. Isto devido ao desenvolvimento tecnológico e ao uso em larga escala. Tal uso cresceu bastante nos últimos quinze anos na Europa, e em países como Japão e Estados Unidos. Nos Estados Unidos, embora o custo da energia produzida entre as fontes renováveis continue dos mais altos para a solar fotovoltaica (por exemplo 18 a 43 centavos de dólar por kwh contra 8 a 12 centavos para a biomassa), a expansão da potência instalada foi significativa, passando de 18 MW em 2000 para 112 MW em 2005 e atingindo 571 MW em 2009 [4]. Em países como Portugal recentemente houve a instalação da Central Fotovoltaica Amareleja, região do Alentejo, com 46 MW sendo atualmente a maior do mundo, constituída por mais de 260 mil painéis individuais e ocupando uma área de 250 hectares. Lá, houve ainda a inauguração de uma fabrica de painéis PV. No Brasil, a instalação de painéis s cresceu muito nos últimos cinco anos com o Programa Luz par Todos (LPT), caracterizando atendimentos a consumidores rurais de baixo consumo mensal de energia elétrica. Neste ano de deu-se a inauguração da Central de Tauá no Ceará 1 MW de pico, investimento superior a 10 milhões de reais e ocupando uma área de 1,2 hectares. Em Salvador, Bahia, estão sendo instalados 400 kw no estádio de Pituaçu e diversos outros painéis deverão ser instalados em outros estádios visando a próxima Copa do Mundo de futebol. Outros sistemas interligados de menor porte existem com fins experimentais e didáticos podendo-se citar aqueles instalados no CEPEL/Eletrobrás, Rio de Janeiro, na Universidade Federal de Santa Catarina e na Federal da Bahia (este na Escola Politécnica com 2,52 kw). III. ANÁLISE DOS PRINCIPAIS SISTEMAS PV INSTALADOS NO ESTADO DA BAHIA Fez-se uma busca dos sistemas que estão operando na Bahia, tendo-se encontrado um interligado a rede com finalidade de pesquisa na Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia (UFBA), mais de 15 mil sistemas s instalados dentro do Programa Luz para Todos pela concessionária distribuidora local, alguns sistemas s particulares (deste se escolheu o da Igreja Santíssima Trindade para verificação e análise), sistemas com finalidade de suprir pequenas instalações de rádio e telefonia propriedade de uma concessionária rodoviária, além do sistema que supre a fonte de energia ininterrupta em Serra do Ramalho, pertencente ao Banco do Brasil. As características e análises destes sistemas são aqui apresentadas. A. Sistema da Escola Politécnica/UFBA O sistema instalado na Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia é do tipo conectado à rede, ou seja, não possui banco de baterias. O mesmo é composto por um conjunto de módulos de P máx = 45 W e que totalizam 2,52 kw e dois inversores de P out = 2 kw, inversores que além de adequar a energia gerada à rede, também registram o montante de energia produzido pelo sistema e a quantidade de CO2 que deixou de ser emitida. A Figura 3 mostra este sistema, instalado sobre a marquise da entrada da referida Escola desde Novembro de Fig. 3. Sistema PV instalado na Escola Politécnica (UFBA). O custo total de instalação deste sistema referido a dezembro/2005 foi de R$ ,00. Até o momento não tem apresentado qualquer problema de manutenção e os dados de produção de energia estão na Tabela 1. Inversor I Inversor II 06/12 de 2006 TABELA I DADOS DE GERAÇÃO DO SISTEMA EPUFBA. 27/12 de 2006 Leituras em kwh 25/04 de 23/05 de 15/06 de Outros parâmetros calculados são apresentados na Tabela 2; nas duas primeiras linhas energia gerada máxima e total estão estimadas para a vida útil do sistema, aqui considerado em 25 anos.

3 3 TABELA II PARÂMETROS CALCULADOS DO SISTEMA EPUFBA. Energia gerada máxima [MWh] 525,600 Energia gerada total [MWh] 71,904 Custo total de instalação (10/2006) R$ ,00 Custo anual uniforme (25 anos) R$ 7.395,00 Custo da energia [R$/MWh] R$ 2.571,15 Fator de capacidade do sistema 0,137 B. Sistema da Igreja Santíssima Trindade A Igreja da Santíssima Trindade está localizada em Salvador, próxima à ladeira da Água Brusca, área urbana; aí vive uma pequena comunidade de forma sustentável, sem comprar nem energia elétrica, nem água das concessionárias locais. Há dois sistemas PV, ambos autônomos, com a finalidade de suprir iluminação, bombeamento de água e pequenos eletrodomésticos. O principal é composto por um conjunto de módulos fotovoltaicos (potência de 54 W p cada), totalizando 1080 W p, três controladores de carga com I máx = 30 A e V = 12 V e um banco de sete baterias de 12 V com capacidade de 150 Ah cada. O segundo dispõe de um módulo PV de 20 W p, um controlador de carga de I máx = 20 A e uma bateria de 12 V e 65 Ah; alimenta duas lâmpadas LED SMD de 3 W cada, que ficam ligadas durante todo o dia e iluminam a parte da dispensa da Igreja. O sistema principal, instalado em Janeiro de 2002, está situado no telhado da igreja de forma a não haver sombra sobre os módulos. Com uma inclinação de 23º, os módulos são fixados por parafusos inoxidáveis à estrutura, entretanto as caixas de junção não possuem parafusos inoxidáveis. A Figura 4 é uma foto deste sistema no ano de por ocasião da visita de inspeção. Os módulos são limpos mensalmente, e há uma verificação anual dos contatos. Já houve duas trocas de baterias, ocorrem em média a cada quatro anos. Verificou-se através de medições dos níveis de iluminamento que os sistemas não atendem requisitos de norma nem os padrões da sociedade em geral, mas supre as necessidades da comunidade da Igreja. O irmão coordenador da comunidade se diz satisfeito com os resultados C. Sistemas PV do Programa Luz Para Todos (LPT) Dentro do Programa LPT já foram atendidos mais de 343,3 mil consumidores no Estado da Bahia dos quais, aproximadamente, 4,5% com sistemas fotovoltaicos. No Estado da Bahia o usuário típico do LPT consome, em média, 45 kwh/mês e cerca de 24,4% desses têm um consumo inferior à 13 kwh/mês [5]. Para a análise econômica destes sistemas PV a empresa distribuidora considerou a substituição de baterias a cada quarto anos, troca de 50% dos controladores e inversores a cada cinco anos e vida útil das placas em 25 anos, dessa forma os gastos em investimento dos kits (realizado no ano um) corresponde a 60,7% do valor presente total quando considerados também os custos manutenção, operação e administração [5, PP.12-13]. Entre 2005 e 2010 foram instalados sistemas PV, com cerca de dos sistemas instalados em 2007 e 2008 [5, p. 37]. Na realidade, nestes cinco anos de operação as baterias e inversores são os itens com maior incidência de problemas, vide Tabela 3, sendo em 2009 a maior quantidade de defeitos. No caso das baterias a maioria das intervenções foi devido ao fim de vida útil e com relação aos painéis, por vezes acontece roubo dos mesmos [5, p. 39]. TABELA III QUANTIDADE E PERCENTUAL DE DEFEITOS NOS SISTEMAS PV DO PROGRAMA LUZ PARA TODOS [5]. Ítem substituído Quantidade Percentual Bateria ,9 Inversor ,9 Controlador 169 1,1 Placa 33 0,2 Fig. 4. Foto do sistema PV da Igreja da SS Trindade, Salvador-Ba. Para verificação de uma amostra destes sistemas em funcionamento analisou-se sistemas instalados em três povoados, Almas, Bonfim e Lagoa do Peixe, todos na região de Cidade Nova. Com um total de 46 sistemas PV, do tipo autônomo, instalados entre Novembro de 2006 e Janeiro de Todos os sistemas são compostos por dois módulos fotovoltaicos um de 20 W e outro de 130 W controlador de carga, inversor, banco de baterias e estão orientados para 25 o N, com uma inclinação de 15 o. Não é feita nenhuma

4 4 manutenção preventiva nos módulos e foi relatado que defeitos nos mesmos praticamente nunca existiram. As cargas, em todos três povoados são uma combinação de televisor, rádio e, no máximo, três lâmpadas. Percebe-se que, apesar de 63% dos sistemas terem praticamente cinco anos de instalação, houve troca de baterias em apenas 15% do total. Conclui-se que muitos dos sistemas não estão operando em condições ideais, visto que há baterias que seguem sendo utilizadas e já superaram a vida útil (quatro anos) e não há lavagem mensal dos módulos. Além disso, o custo da energia fotovoltaica ainda é bem superior ao da tarifa praticada pela concessionária mesmo para os consumidores cativos em baixa tensão das classes residencial e comercial (cerca de R$ 0,56/kWh em ), tendo-se determinado algo em torno de R$ 1,64 do Povoado Almas, R$ 1,62 do Povoado Bonfim e R$ 3,19 de Lagoa do Peixe. Por fim, apesar de serem poucos e limitados os equipamentos supridos pelos sistemas fotovoltaicos é unânime a satisfação dos usuários. Como benefícios citam a economia nos gastos de óleo diesel para candeeiros, melhoria na saúde pela ausência de fumaça e a interação familiar com o uso do televisor e do rádio. D. Agência Banco do Brasil em Serra do Ramalho Verificou-se o sistema fotovoltaico que foi instalado para substituir um grupo gerador a diesel responsável por alimentar caixas de autoatendimento na agência do banco na cidade de Serra do Ramalho quando das faltas de energia elétrica pelo sistema da distribuidora de energia elétrica [6]. Tal sistema PV conta com um grupo de módulos fotovoltaico que totaliza 900 W p e um regulador de carga interligado a uma fonte ininterrupta de potência (UPS) que alimenta um terminal de autoatendimento (TAA) com a possibilidade de alimentação pela rede em urgências. O estudo de viabilidade técnico-econômica foi feito a partir de dados de três medidores de energia UPS, TAA e sistema PV. As análises comparativas foram feitas com os dados do TAA alimentado pela rede, através da UPS de 1 kva e com o grupo gerador a diesel de 18 kva como sistema alternativo, e do TAA e sistema de comunicação de contingência alimentados, prioritariamente, pelo sistema PV através da UPS (com o acréscimo de um banco de baterias). A análise de viabilidade econômica considerou os custos iniciais, de manutenção, de operação e da energia elétrica da rede. Estimou-se a vida útil do sistema PV em 24 anos, do grupo gerador 12 anos, e a taxa de juros de 15,4%. Os valores da comparação das alternativas fotovoltaica (PV) e do grupo gerador diesel (Ger. Diesel) evoluindo em reais (R$) a valor presente em função do número de meses está ilustrado no gráfico da Figura PV Ger.Diesel Fig. 5. Evolução dos valores presentes ao longo dos meses para as opções grupo gerador diesel e sistema PV (adaptado de [6]). Os custos se igualam após 55 meses. A partir daí o sistema fotovoltaico passa a ser mais vantajoso. Além disso, o custo da energia, por MWh, utilizando o grupo gerador seria de R$ 3.866,50 e de R$ 3.063,52 com o sistema PV. Entretanto há de se analisar caso a caso as vantagens e desvantagens dos sistemas de alimentação alternativa, pois se sabe que quanto maior o montante de potência da agência maior a vantagem do grupo gerador devido à relação custo e potência mais favorável que a do sistema PV. A conclusão é que a solução do sistema fotovoltaico é vantajosa quando se necessita suprir TAA de até 1 kva [6]. Além de prover maior confiabilidade do fornecimento de energia, ter grande adaptabilidade arquitetônica e requerer mínima manutenção. E. Sistemas PV da Concessionária de Rodovia Nesta rodovia os sistemas fotovoltaicos foram instalados em 2001, sendo utilizados no serviço de apoio ao usuário da rodovia sob concessão. Há 41 sistemas autônomos distribuídos ao longo de 44 km da rodovia em ambos os sentidos; cada sistema é composto por um painel de 10 Wp sem inclinação duas baterias de 4,5 Ah cada, um controlador de carga e um inversor. A carga alimentada é um rádio por sistema. Cada rádio funciona 24 horas por dia e tem uma autonomia de 4 a 5 dias. As baterias são trocadas a cada dois anos e há manutenção dos painéis limpeza e medição da tensão gerada com custo mensal de R$1.710,00. A concessionária está satisfeita com os sistemas. Desde a operação em 2001, registrou apenas um painel danificado e durante três meses a empresa ficou sem a quantidade correta de baterias, o que contribuiu para redução da autonomia do sistema no período. IV. CONCLUSÕES As principais informações dos estudos de caso acima apresentados estão condensadas na Tabela IV. Nota-se que apenas no sistema interligado da Escola Politécnica da UFBA há medição da energia produzida pelos sistemas PV.

5 5 Em geral a produção de energia elétrica é inferior à ótima devido à falta de manutenção por boa parte dos usuários e ao posicionamento dos painéis. Ademais, percebe-se que as motivações para instalação dos sistemas fotovoltaicos são as mais diversas, sendo predominante o atendimento a unidades s especialmente aquelas do Programa Luz para Todos. Conclui-se que a geração PV em termos de custo da energia produzida quando comparada com as fontes convencionais de energia elétrica com custo entre $ 86,00 e $125,00 por MWh [7] ainda tem um valor por MWh bastante elevado, vide o sistema da UFBA com R$ 2.571,15, os sistemas de Cidade Nova com valores entre R$1.620,00 e R$3.190,00 e o sistema da agência de Serra do Ramalho com R$ 3.063,52. Entretanto, para sistemas de maior porte conectados à rede, o custo por MWh está na faixa de R$ 800,00 a R$ 900,00 [8]. TABELA IV TABELA RESUMO DOS ESTUDOS DE CASO. Sistema UFBA Politécnica Igreja da Santíssima Trindade Povoado Almas COELBA Povoado Bonfim Lagoa do Peixe Ag. BB Serra do Ramalho Concessionária de Rodovia Característica 2,52 kw conectado 1,08 kw 3,60 kw 0,75 kw 2,55 kw 0,90 kw 0,410 kw Medição Sim Não Não Não Não - Não Manutenção Sim Sim Não Não Não Sim Sim Aplicação Em instalação acadêmica Ideia de sustentabilidade Substituição de outra fonte Serviço de rádio de urgência Custo da energia (R$/MWh) 2.571, , , , ,52 - Quando comparado com outros tipos de geração alternativa, os sistemas fotovoltaicos podem ser vantajosos não apenas economicamente, a depender do caso como ilustra o sistema do Banco do Brasil em Serra do Ramalho. Percebe-se também que o Estado da Bahia tem grande potencial para utilização da energia PV. Tanto devido ao índice de radiação solar, como à diversidade e possibilidades de aplicações incentivo ao desenvolvimento social e símbolo de sustentabilidade. AGRADECIMENTOS Os autores gentilmente agradecem às contribuições e informações fornecidas por M. P. Queiroz, H.M. Silva Filho, R. J. B. Valente e ao Irmão Henrique que nos foram muito úteis. REFERÊNCIAS [1] M. T. Tolmasquin (organizador), Fontes Renováveis de Energia no Brasil. Editora Interciência, Rio de Janeiro, [2] CRESESB Centro de Referência para energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito, Grupo de Trabalho de energia Solar, Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Iarte Impressos e Arte, Rio de Janeiro, [3] J. W. Tester, E. M. Drake, M. J. Driscoll, M. W. Golay, Sustainable Energy: Choosing Among Options. MIT- Massachusetts Institute of Technology, London, England, [4] U. S. Departament of Energy Energy Efficiency & Renewable Energy, 2009 Renewable Energy Data Book, August, Disponível em: [5] H. M. Silva Filho, Aplicação de sistemas fotovoltaicos no Programa Luz para Todos da COELBA. Belém, Fevereiro de [6] M. P. Queiroz, Estudo da Viabilidade de Utilização de Energia Fotovoltaica em Agências Bancárias localizadas no Estado da Bahia. Dissertação de mestrado, UNIFACS Universidade Salvador, Dezembro de [7] DOE/IEA-0383 Energy Information Administration, Annual Energy Outlook. Dezembro de 2010 [8] G. M. Jannuzzi, F. K. O. Varella e R. D. M. Gomes, Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica no Brasil: Panorama da Atual Legislação. Campinas, SP. Outubro de Disponível em: JETO_2_ FINAL.pdf. Acesso em maio de. AUTORES Paulo R. F. de Moura Bastos, engenheiro eletricista pela Universidade Federal da Bahia (1977), Mestre pela Universidade Federal de Itajubá (2002) e Doutor pela Universidade Federal de Campina Grande (). Atuou como engenheiro na COELBA, concessionária de distribuição no Estado da Bahia (1977 a 2001); é professor da Universidade Federal da Bahia desde Tem trabalhos publicados em revistas e seminários e atualmente suas áreas de interesse são geração de energia elétrica, distribuição de energia elétrica, eficiência energética. Fernando Fontes é engenheiro pela Universidade Federal da Bahia (julho de ), e muito do conteúdo deste artigo fez parte do seu Trabalho Final de Graduação.